张晓亮教授课题组在钙钛矿量子点太阳能电池方面取得的最新研究进展

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2022年6月6日，CellPress旗下知名期刊《Joule》在线发表了材料科学与工程学院张晓亮教授课题组在钙钛矿量子点太阳能电池方面取得的最新研究进展：“Tailoring Solvent-Mediated Ligand Exchange for CsPbI3 Perovskite Quantum Dots Solar Cells with Efficiency Exceeding 16.5%”。材料学院2019级博士生贾东霖为文章第一作者，张晓亮教授为唯一通讯作者。

       无机铯铅碘（CsPbI3）钙钛矿材料由于不含挥发性有机组分，是有应用前景的光伏材料。通过使用表面配体限制晶体生长，将其制备成纳米尺度的量子点是得到稳定CsPbI3钙钛矿结构的有效途径之一。为实现较好的电荷输运效果，将量子点制备成固体薄膜后，使用外源短配体替换原始长链配体是一种高效且可行的途径。在传统的配体取代过程中，由原始配体和外源配体与量子点表面结合能差异主导的配体交换过程难以控制，并且由于配体在传统的量子点反溶剂中的低溶解度使配体交换效果通常不佳，导致材料表面存留大量长链绝缘配体。因此，在保证量子点结构稳定的前提下，更充分取代其表面原始绝缘配体是高性能太阳能电池研究中亟待解决的难题。
        为了解决这一难题，张晓亮教授课题组另辟蹊径，通过优化外源配体溶剂，将配体交换反应从被“配体自身单独控制”转移到了由“溶剂介导配体控制”，使配体交换过程达到了能够被“充分驾驭”的效果。经过“溶剂介导配体交换”后，CsPbI-3量子点薄膜的缺陷密度、载流子迁移率、光电性能和稳定性等均得到了显著改善。最终，制备出了光电能量转换效率高达16.53%的量子点太阳能电池器件，此效率为无机量子点太阳能电池的最高值。此外，将该策略扩展到其它配体后，相应的太阳能电池均获得了优异的光电转换性能。
         该研究为调控量子点表面化学特性提供了一个通用且可行的全新平台，为实现新一代高性能量子点光电器件奠定了坚实的基础。
       “溶剂介导配体交换”策略设计思路：溶剂甄选原则、配体交换示意图和CsPbI3量子点太阳能电池光电转换性能。
          该研究工作得到了国家自然科学基金和北航青年拔尖人才项目的资助，同时得到了北航高性能计算中心的支持。
          全文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00234-3


         文章来源：北航
         张晓亮，男， 天津人，北京航空航天大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。2013年在北京航空航天大学材料物理与化学专业取得博士学位，之后在瑞典乌普萨拉大学和瑞典皇家工学院从事新型光-电能量转换材料与太阳能电池器件的博士后和资深研究员研究。2018年全职回北京航空航天大学工作，入选北京航空航天大学青年拔尖人才。主要从事新型光-电能量转换材料和高效电荷输运材料的开发，以及新型太阳能电池器件的开发和器件物理方面的研究。